可编程控制器课程设计

中央空调的设计

一、前言

我国是一个人均能源相对贫乏的国家，人均能源占有量不足世界水平的一半，随着我国经济的快速发展，我国已成为世界第二耗能大国，但能源使用效率普通偏低, 造成电能浪费现象十分严重。尽管我国电网总装机容量和发电量快速扩容，但仍赶不上用电量增加的速度，供电形势严峻, 节能节电已迫在眉睫。

中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。

随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，达到节能目的提供了可靠的技术条件。

二、问题的提出

1、原系统简介

中央空调系统改造前的主要设备和控制方式：450冷吨冷气主机2台，型号为特灵二极式离心机，两台并联运行；冷冻水泵和冷却水泵各有3台，型号均为TS-200-150315，扬程32米，配用功率37KW。均采用两用一备的方式运行。冷却塔3台，风扇电机7.5KW，并联运行。

2、原系统的运行及存在问题

由于中央空调系统设计时必须按天气最热、负荷最大时设计，且留有10%-20%左右的设计余量。其中冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节。这样，冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能量的极大浪费。而且冷冻、冷却水泵采用的均是Y—△起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的3—4倍，在如此大的电流冲击下，接触器的使用寿命大大下降；同时，启动时的机械冲击和停泵时的水锤现象，容易对机械器件、轴承、阀门和管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备件费用。

另外,由于冷冻泵轴输送的冷量不能跟随系统实际负荷的变化，其热力工况的平衡只能由人工调整冷冻主机出水温度，以及大流量小温差来掩盖。这样，不仅浪费能量，也恶化了系统的运行环境、运行质量。特别是在环境温度偏低、某些末端设备温控稍有失灵或灵敏度不高时，将会导致大面积空调室温偏冷，感觉不适，严重干扰中央空调系统的运行质量。因为空调偏冷的问题经常遇到各种想不到的问题造成不少人力资源的浪费。本人提出：“利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等构成的温差闭环自动调速系统。对冷冻、冷却水泵进行改造，以节约电能。”

三、节能改造的可行性分析

   改造方案主要有：方案一是通过关小水阀门来控制流量，经测试达不到节能效果。且控制不好会引起冷冻水未端压力偏低，造成高层用户温度过高，也常引起冷却水流量偏小，造成冷却水散热不够，温度偏高；方案二是根据制冷主机负载较轻时实行间歇停机，但再次起动主机时，主机负荷较大，实际上并不省电，且易造成空调时冷时热，令人产生不适感；方案三是采用变频器调速，由人工根据负荷轻重调整变频器的频率，这种方法人为因素较大，虽然投资较小，但达不到最大节能效果；方案四是通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，排除了人为操作错误的因素。虽然一次投入成本较高，但这种方法在社会上已经被广泛应用，已经证实是切实可行的高效节能方法。最后决定采用方案四冷冻、冷却泵进行节能改造。以下是分析过程：

1、  中央空调系统简介

中央空调系统结构图

中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。其理想运行状态是：在冷冻水循环系统中,在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，被吸热降温后（7^。C）被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后（12^。C），再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。在冷却水循环系统中,在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸热升温后（37^。C）被送到冷却塔，经风扇散热后（32^。C）再由冷却泵送到主机，形成循环。在这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，在冷冻泵、冷却泵得到动能不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机的作用，由冷却塔排出。如图一所示。

在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%—20%余量作为设计安全系数。据统计，在传统的中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%—24%，而在冷冻主机低负荷运行时，冷却水、冷冻水循环用电就达30%—40%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。

四、控制设计的具体方案

1、    主电路的控制设计

根据具体情况，同时考虑到成本控制，原有的电器设备尽可能的利用。冷冻水泵及冷却水泵均采用两用一备的方式运行，因备用泵转换时间与空调主机转换时间一致，均为一个月转换一次，切换频率不高，决定将冷冻水泵和冷却水泵电机的主备切换控制利用原有电器设备，通过接触器、启停按钮、转换开关进行电气和机械互锁。确保每台水泵只能由一台变频器拖动，避免两台变频器同时拖动同一台水泵造成交流短路事故；并且每台变频器任何时间只能拖动一台水泵，以免一台变频器同时拖动两台水泵而过载。

2    变频器的控制方式

变频器的启停及频率自动调节由PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块进行温差闭环控制，手动/自动切换和手动频率上升、下降由PLC控制。

3、  主要设备选型

考虑到设备的运行稳定性及性价比，以及水泵电机的匹配。选用三菱FR-F540-37K-CH变频器；PLC所需I/O点数为：输入24点、输出14点，考虑到输入输出需留一定的备用量，以及系统的可靠性和价格因素，选用FX2N-64MR三菱PLC；温度传感器模块FX2N-4AD-PT，该模块是温度传感器专用的模拟量输入A/D转换模块，有4路模拟信号输入通道（CH1、CH2、CH3、CH4），接收冷冻水泵和冷却水泵进出水温度传感器输出的模拟量信号；温度传感器选用PT-100 3850RPM/℃电压型温度传感器，其额定温度输入范围-100℃—600℃，电压输出0—10V，对应的模拟数字输出-1000—6000；模拟量输出模块型号为FX2N-4DA，是4通道D/A转换模块，每个通道可单独设置电压或电流输出，是一种具有高精确度的输出模块。

4、  改造需要增加的设备：

五、主要设备的特性简介

1、变频器

随着微电子技术，电力电子技术，全数字控制技术的发展，变频器的应用越来越广泛。变频器能均匀的改变电源的频率，因而能平滑的改变交流电动机的转速，由于兼有调频调压功能，所以在各种异步电动机调速系统中效率最高，性能最好。

    变频器分为间接变频和直接变频，变频水泵采用间接变频方式。间接变频装置的特点是将工频交流电源通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变成频率可控的交流电。变频器以软启动取代Y－△ 降压启动，降低了启动电流对供电设备的冲击，减少了振动及噪音。

2、PLC

PLC是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术，半导体存储技术和自动控制技术的新型工业控制器。PLC与传统的继电器控制比较，有以下特点：

（1） 通用性好，接线简单，通过选配相应的模块，可适应用于各控制系统。

（2） 功能强，可以通过编程实现任意复杂的控制功能。除逻辑控制功能外，还具有模拟量控制，顺序控制，位置控制，高速计数以及网络通信等功能。

（3） 可靠性高，无机械触点，消除了电弧损害，接触不良等，使用寿命长。

（4） 定时准确，定时范围宽。

（5） 体积小，耗电小。

（6） 编程和接线可同步进行，扩展灵活，维修方便。

六、三菱FR-F540-37K-CH变频器主要参数的设定

Pr.160   :  0        允许所有参数的读/写

Pr.1     :  50.00    变频器的上限频率为50Hz

Pr.2     :  30.00    变频器的下限频率为30Hz

Pr.7     :  30.0     变频器的加速时间为30S

Pr.8     :  30.0     变频器的减速时间为30S

Pr.9     :  65.00    变频器的电子热保护为65A

Pr.52    :  14       变频器DU面板的第三监视功能为变频器的输出功率

Pr.60    :  4        智能模式选择为节能模块

Pr.73    :  0        设定端子2－5间的频率设定为电压信号0～10V

Pr.79    :  2        变频器的操作模式为外部运行

七、三菱PLC控制器FX2N-64MR与三菱FR-F540-37K-CH变频器的接线以及I/O分配

1、I/O分配：

2、接线图：

PLC与变频器接线图

八、三菱FX2N－64MR  PLC主要部分程序分析

1、冷冻水出回水和冷却水进出水的温度检测及温差计算程序

根据计算出来的冷冻水出回水温差和冷却水进出水温差，分别对冷冻泵变频器和冷却泵变频器进行无级调速的自动控制，温差变小变频器的运行频率下降（频率下限为30Hz），温差变大，则变频器的运行频率上升（频率上限50Hz），从而实现恒温差的控制，实现最大限度的节能运行。

2、FX2N-4DA  4通道的D/A转换模块程序分析

D/A转换模块的数字量入口地址为：CH1通道：D1100；CH2通道：D1101；CH3          通道：D1102；CH4通道：D1103；数字量的范围为-2000～+2000，对应的电压输出为-10V～+10V,变频器输入模拟电压为0～+10V,对应30Hz～50Hz的数字量为+1200～+2000，为保证2台冷却泵之间的变频器运行频率的同步一致，使用了   LD M8000   MOV D1100 D1101 ；2台冷冻泵也使用了 LD M8000  MOV D1102 D1103  的指令。

3、手动调速PLC程序分析

 

X14为冷却泵手动频率上升， X15为冷却泵手动频率下降，每次频率调整0.5Hz，所有手动频率的上限50Hz，下限30Hz。

4、手动调速和自动调速的切换程序

X12为冷却泵手/自动调速切换开关；X13为冷冻泵手/自动调速切换开关；

5、温差自动调速程序

温差采样周期，因温度变化缓慢，时间定为5秒能满足实际需要；当温差小于4.8℃时，变频器运行频率下降，每次调整0.5Hz；当温差大于5.2℃时，变频器运行频率上升，每次调整0.5Hz；当冷却进出水温差在4.8～5.2℃时不调整变频器的运行频率。从而保证冷却泵进出水的温差恒定，实现节能运行。

6、冷冻泵和冷却泵的变频器运行和停止控制

2台变频器驱动的冷却泵和2台变频器驱动的冷冻泵的起停控制用简单逻辑顺序的控制，PLC程序此处略。

7、变频器的保护和故障复位控制

变频器的过电流电子热保护动作时PLC能自动检测，给出报警信号，提醒值班人员及时处理，以下为变频器故障后的复位PLC程序:

8、PLC梯形图和程序设计

(1)、梯形图

 

(2)、指令表

步    指令

0     LD        M8002

1     T0        K0       K1     K100     K4

10    LD        M8000

11    FROM      K0       K5     D10      K4

20    ADD       D10      K1     D10

27    ADD       D11      K7     D11

34    ADD       D12      K0     D12

41    ADD       D13      K11    D13

48    SUB       D11      D10    D20

55    SUB       D13      D12    D21

62    LD        M8002 

63    TO        K1       K0     H0       K1

72    LD        M8000

73    TO        K1       K1     D1100    K4

82    LD        M8000

83    MOV       D1100    D1101 

88    MOV       D1102    D1103

93    LDI       M10    

94                 MPS

95                 ANDF      X014

97    ADD       D1100    K20     D1100

104              MRD    

105              ANDF      X015

107   SUB       D1100    K20     D1100

114              MRD   

115              AND<=     D1100    K1200  

120   MOV       K1200    D1100

125              MPP      

126              AND>=     D1100    K2000

131   MOV       K2000    D1100

136   LDI       M11   

137              MPS      

138              ANDF      X016

140   ADD       D1102    K20     D1102

147              MRD    

148              ANDF      X017

150   SUB       D1102    K20     D1102

157              MRD  

158              AND<=     D1102    K1200

163   MOV       K1200    D1102

168              MPP

169              AND>=     D1102    K2000

174   MOV       K2000    D1102

179   LD        X012

180   OUT       M10

181   LD        X013

182   OUT       M11

183   LDI       T1

184   OUT       T0       K25

187   LD        T0

188   OUT       T1       K25

191   LD        M10

192   ANDF      T0

194              MPS

195              AND>      D20      K52

200   ANI       M12     

201   ADD       D1100    K20      D1100

208              MRD

209              AND<      D20      K48

214   ANI       M12     

215   SUB       D1100    K20      D1100

222              MPP

223              AND>=     D20      K48

228   AND<=     D20      K52

233   OUT       M12

234   LD<       D1100    K1200

239   MOV       K1200    D1100

244   LD>       D1100    K2000

249   MOV       K2000    D1100

254   LD        M11

255   ANDP      T0

257              MPS

258              AND>      D21      K52

263   ANI       M13

264   ADD       D1102    K20      D1102

271              MRD

272              AND<      D21      K48

277   ANI       M13

278   SUB       D1102    K20      D1102

285              MPP

286              AND>=     D21      K48

291   AND<=     D21      K52

296   OUT       M13

297   LD<       D1102    K1200

302   MOV       K1200    D1102

307   LD>       D1102    K2000

312   MOV       K2000     D1102

317   LD        X010     

318              MPS

319              AND       X000

320              OUT       Y011

321              MPP

322              AND       X002

323              OUT       Y013

324              LD        X011

325              MPS      

326              AND       X004

327              OUT       Y015

328              MPP

329              AND       X006

330              OUT       Y017

331              LD        X020

332              SET       Y010

333              LD        X021

334              RST       Y010

335              LD        X022

336              SET       Y012

337              LD        X023

338              RST       Y012

339              LD        X024

340              SET       Y014

341              LD        X025

342              RST       Y014

343              LD        X026

344              SET       Y016

345              LD        X027

346              RST       Y016

347              LD        X001

348              AND       M8014

349              OUT       C220     K50000000

354   LD        X003   

355   AND       M8014

356   OUT       C221     K50000000

361   LD        X005    

362   AND       M8014

363   OUT       C222     K50000000

368   LD        X007 

369   AND       M8014

370   OUT       C223     K50000000

375   LD        M10

376   OUT       Y002

377   LD        M11

378   OUT       Y003

379   LD        X000

380   OUT       Y004

381   LD        X002

382   OUT       Y005

383   LD        X004

384   OUT       Y006

385   LD        X006

386   OUT       Y007

387           END

九、结论

   对于一名自动化的学生来说，PLC十分重要，是自动化发展的一个重要方向。现在PLC的发展更是迅速，所以我觉得学好PLC至关重要。本次课程设计是在学习任务比较重，时间比较短的情况下做的，对于我在课本知识的基础之上更加深了对PLC的理解，使我学到了很多东西，当然也反映了我的许多的不足。首先的是动手能力太差，课本很容易看明白，但是到刚开始编程的时候却感到无从下手，理不清头绪。当然在同学们的帮助下，问题还是得到了一定的解决，而且在编程的过程中大家互相协作，发扬了团结的合作精神，即锻炼了自己又提高了能力，知难而上，加强了实践操作能力和水平，为我们今后的学习，工作打下了坚实的基础。

这次课程设计,多亏了老师和同学的帮助,我才得以顺利完成任务.在此应该感谢老师和同学的关系和帮助.这次设计的我也看到了自己的不足,希望在以后的时间内好好学习基础知识,为即将走向社会增加自己的砝码。

十、参考文献

(1)《中央空调》    冶金工业出版社         何耀    何青     主编

(2)《空调设计》    湖南大学出版社                 殷  平   主编

(3)《通用变频器及其应用》  机械工业出版社         韩安荣   主编

(4)《可编程控制器原理与应用》 华南理工大学出版社  朱寅生   主编

(5)《制冷机器》化学工业出版社                     章建民   主编

(6)《可编程序控制器（PLC）原理及应用》 云南科技出版社 邹金慧       编著

(7) 《可编程序控制器实用技术》  机械工业出版社 王兆义 编著